CN207976221U - 一种棱镜型空间外差光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种棱镜型空间外差光谱仪，包括入射光阑、准直透镜、分束器、第一色散棱镜、第二色散棱镜、第一全反射镜、第二全反射镜、成像单元和探测器，其特征是，所述入射光阑后侧依次为准直透镜和分束器，所述分束器的上侧依次设有第一色散棱镜、第一全反射镜、分束器的后侧依次设有第二色散棱镜和第二全反射镜、分束器的下侧依次设有成像单元和探测器。这种光谱仪具有超光谱分辨、高通量、无运动部件的优点，同时还能避免光栅型空间外差光谱仪中由于光栅多级衍射引起的能量损失、干涉度下降的问题。

Description

一种棱镜型空间外差光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光学遥感探测领域，具体是一种棱镜型空间外差光谱仪。

背景技术

空间外差光谱技术是20世纪70年代提出概念，到90年代因技术条件的进步而快速发展起来的一种新型的可实现超分辨的光谱分析技术，该技术具有超光谱分辨、高通量、无运动部件等优点。空间外差光谱技术在某一确定的波长范围内，可以获得极高的光谱分辨率。空间外差光谱技术卓越的性能使其在微弱信号目标的超光谱探测具有独到之处，并应用于大气微量气体的遥感探测、星际介质的天文观测等方面。

传统的空间外差光谱仪采用光栅分光的方式进行干涉调制，然而光栅存在多级衍射，通常采用一级衍射光作为干涉光束，其它级次的衍射光则被忽略。光栅多级衍射会引起以下问题：一方面，光栅的多级衍射会降低干涉光束的能量，不利于极微弱光谱信号的探测；另一方面，其它级次的衍射光形成干涉仪系统内部杂散光，在很大程度上降低了空间外差光谱仪干涉条纹的干涉度，直接影响傅里叶变换光谱的精度。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种棱镜型空间外差光谱仪。这种光谱仪具有超光谱分辨、高通量、无运动部件的优点，同时还能避免光栅型空间外差光谱仪中由于光栅多级衍射引起的能量损失、干涉度下降的问题。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种棱镜型空间外差光谱仪，包括入射光阑、准直透镜、分束器、第一色散棱镜、第二色散棱镜、第一全反射镜、第二全反射镜、成像单元和探测器，与现有技术不同的是，所述入射光阑后侧依次为准直透镜和分束器，所述分束器的上侧依次设有第一色散棱镜和第一全反射镜、分束器的后侧依次设有第二色散棱镜和第二全反射镜、分束器的下侧依次设有成像单元和探测器。

所述分束器为半透半反的分束元件。

所述第一色散棱镜、和第二色散棱镜的材质及外形尺寸均相同、两个色散棱镜的顶角均为相同的角。

所述第一全反射镜和第二全反射镜的材质及外形尺寸均相同。

所述分束器上侧及后侧两臂的第一色散棱镜、第一全反射镜及第二色散棱镜和第二全反射镜位置固定不动，两臂的第一全反射镜和第二全反射镜与光轴正交面均成相同的角倾斜放置，两臂的第一色散棱镜和第二色散棱镜的入射面均与光轴垂直。

所述第一色散棱镜和第二色散棱镜的中心到分束器中心的距离相等。

所述第一全反射镜和第二全反射镜的中心到分束器中心的距离相等。

所述探测器在成像单元的焦面上。

所述探测器为线阵或面阵探测器。

被测光束透过光阑，并经准直透镜后形成平面波，入射到分束器上，被分为强度相等的两束相干光，分别由分束器两臂的第一色散棱镜和第二色散棱镜分光后并经第一全反射镜和第二全反射镜反射返回分束器，两出射光束波面成夹角，形成空间调制的干涉条纹，最终通过成像单元成像于探测器上。

所述光谱仪的基频可以通过色散棱镜及全反射镜与光轴的夹角、色散棱镜的顶角进行计算获得。

所述光谱仪基频波长的两束光经色散棱镜及全反射镜返回后的波面与光轴垂直，两波面同位相，位相差为零，不产生干涉条纹；非基频波数的光经色散棱镜及全反射镜返回后，两出射波面与光轴正交面形成夹角，形成与基频差值频率的空间干涉条纹；某一单色的非基频波长的两波面将有一夹角，中心的光程差为零，两端的光程差最大；干涉条纹经成像单元成像于探测器上。

所述光谱仪所记录的干涉条纹经傅里叶变换后可恢复被测光的光谱曲线。

这种结构的空间外差光谱仪采用第一色散棱镜和第二色散棱镜两个色散棱镜代替传统空间外差光谱仪中的两个衍射光栅进行波面调制，棱镜型空间外差光谱仪由两色散光束形成干涉条纹，干涉条纹的空间频率取决于入射光与系统特定基频间的频率差，形成频率外差干涉，干涉条纹经傅里叶变换恢复光谱。

本技术方案的优点在于：

（1）棱镜型空间外差光谱仪继承了传统光栅型空间外差光谱仪的主要特性，具有超光谱分辨、高通量、无运动部件等。

（2）棱镜型空间外差光谱仪有效避免了光栅型空间外差光谱仪中由于光栅多级衍射引起的能量损失及干涉度下降的问题。

（3）棱镜型空间外差光谱仪采用色散棱镜进行分光调制，较传统光栅型空间外差光谱仪设计更简单、成本更低。

这种光谱仪具有超光谱分辨、高通量、无运动部件的优点，同时还能避免光栅型空间外差光谱仪中由于光栅多级衍射引起的能量损失、干涉度下降的问题。

附图说明

图1为实施例的光学系统的结构示意图；

图2为实施例中的干涉条纹调制原理示意图。

图中，1.光阑 2.准直系统 301.第一色散棱镜 302.第二色散棱镜401.第一全反射镜 402.第二全反射镜 5.分束器 6.成像单元 7.探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型内容作进一步的阐述，但不是对本实用新型的限定，

实施例：

参照图1，一种棱镜型空间外差光谱仪，包括入射光阑1、准直透镜2、分束器5、第一色散棱镜301、第二色散棱镜302、第一全反射镜401、第二全反射镜402、成像单元6和探测器7，与现有技术不同的是，所述入射光阑1后侧依次为准直透镜2和分束器5，所述分束器5的上侧依次设有第一色散棱镜301和第一全反射镜401、分束器的后侧依次设有第二色散棱镜302和第二全反射镜402、分束器5的下侧依次设有成像单元6和探测器7。

所述分束器5为半透半反的分束元件。

所述第一色散棱镜301、和第二色散棱镜302的材质及外形尺寸均相同、两个色散棱镜的顶角均为相同的角。

所述第一全反射镜401和第二全反射镜402的材质及外形尺寸均相同。

所述分束器5上侧及后侧两臂的第一色散棱镜301、第一全反射镜401及第二色散棱镜302和第二全反射镜402位置固定不动，两臂的第一全反射镜401和第二全反射镜402与光轴正交面均成相同的角倾斜放置，两臂的第一色散棱镜301和第二色散棱镜302的入射面均与光轴垂直。

所述第一色散棱镜301和第二色散棱镜302的中心到分束器5中心的距离相等。

所述第一全反射镜401和第二全反射镜402的中心到分束器5中心的距离相等。

所述探测器7在成像单元6的焦面上。

所述探测器7为线阵或面阵探测器，本例为面阵探测器。

如图2所示，被测光束透过光阑1，并经准直透镜2后形成平面波，入射到分束器5上，被分为强度相等的两束相干光，分别由分束器5两臂的第一色散棱镜301和第二色散棱镜302分光后并经第一全反射镜401和第二全反射镜402反射返回分束器5，两出射光束波面成夹角，形成空间调制的干涉条纹，最终通过成像单元6成像于探测器7上。

所述光谱仪的基频可以通过色散棱镜及全反射镜与光轴的夹角、色散棱镜的顶角以及色散棱镜的折射率n进行计算获得，可以通过一般的几何光学进行推导即可。

所述光谱仪基频波长的两束光经色散棱镜及全反射镜返回后的波面与光轴垂直，两波面同位相，位相差为零，不产生干涉条纹；非基频波数的光经色散棱镜及全反射镜返回后，两出射波面与光轴正交面形成夹角，形成与基频差值频率的空间干涉条纹；某一单色的非基频波长的两波面将有一夹角，中心的光程差为零，两端的光程差最大；干涉条纹经成像单元6成像于探测器7上。

两束光将发生干涉，形成等厚干涉条纹。干涉条纹经成像物镜成像于线阵探测器7上，记录下不同位置处的干涉条纹，并通过傅里叶变换即可计算出待测的光谱曲线。

Claims (9)

1.一种棱镜型空间外差光谱仪，包括入射光阑、准直透镜、分束器、第一色散棱镜、第二色散棱镜、第一全反射镜、第二全反射镜、成像单元和探测器，其特征是，所述入射光阑后侧依次为准直透镜和分束器，所述分束器的上侧依次设有第一色散棱镜、第一全反射镜、分束器的后侧依次设有第二色散棱镜和第二全反射镜、分束器的下侧依次设有成像单元和探测器。

2.根据权利要求1所述的棱镜型空间外差光谱仪，其特征是，所述分束器为半透半反的分束元件。

3.根据权利要求1所述的棱镜型空间外差光谱仪，其特征是，所述第一色散棱镜、和第二色散棱镜的材质及外形尺寸均相同、两个色散棱镜的顶角均为相同的角。

4.根据权利要求1所述的棱镜型空间外差光谱仪，其特征是，所述第一全反射镜和第二全反射镜的材质及外形尺寸均相同。

5.根据权利要求1所述的棱镜型空间外差光谱仪，其特征是，所述分束器上侧及后侧两臂的第一色散棱镜、第一全反射镜及第二色散棱镜和第二全反射镜位置固定不动，两臂的第一全反射镜和第二全反射镜与光轴正交面均成相同的角倾斜放置，两臂的第一色散棱镜和第二色散棱镜的入射面均与光轴垂直。

6.根据权利要求1所述的棱镜型空间外差光谱仪，其特征是，所述第一色散棱镜和第二色散棱镜的中心到分束器中心的距离相等。

7.根据权利要求1所述的棱镜型空间外差光谱仪，其特征是，所述第一全反射镜和第二全反射镜的中心到分束器中心的距离相等。

8.根据权利要求1所述的棱镜型空间外差光谱仪，其特征是，所述探测器在成像单元的焦面上。

9.根据权利要求1所述的棱镜型空间外差光谱仪，其特征是，所述探测器为线阵或面阵探测器。